WiMAX协议架构

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IEEE 802.16工作组推出IEEE 802.16协议族的目的正是为了符合上述需求。IEEE 802.16于2004年6月24日正式通过了IEEE P802.16-REVd，并命名为IEEE 802.16-2004，又称无线城域网(WMAN)标准。新的IEEE 802.16协议吸收并借鉴了宽带无线接入领域本地多点传输服务(LMDS)、ETSI HiperMAN、多路多点分配业务(MMDS)等技术，同时修改并合并了IEEE 802.16-2001(定义频率范围在10～66 GHz，要求视距传播)，IEEE 802.16a-2003(定义11 GHz以下频段非视距传播)和IEEE 802.16c-2002(10～66 GHz)规定了无线城域网固定宽带无线接入的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)规范，着眼于最后一公里无线宽带接入的解决方案。IEEE 802.16所能实现的最大传输距离为50 km，大大远于无线局域网200 m左右的覆盖范围。最高120 Mb/s的接入速率也大于IEEE 802.11a所规定的最高54 Mb/s的速率。同时IEEE 802.16提供完善的服务质量(QoS)支持和安全性机制，相对于无线局域网有了本质上的发展。

有鉴于Wi-Fi组织对于无线局域网推广的作用，为了推进WMAN设备的业务应用，提高设备互操作性，富士通、Intel、诺基亚等公司共同组建了非赢利性的WiMAX组织，旨在帮助推动与保证基于IEEE 802.16宽带无线设备的兼容性和互操作性。

1 IEEE 802.16协议

IEEE 802.16协议规定了MAC层和PHY层的规范。MAC层支持多种不同PHY层，下面主要分析MAC层和正交频分多址/时分双工(OFDMA/TDD)PHY层，对于其他物理层技术只简要提及。

1.1 MAC层

IEEE 802.16 MAC层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为三个子层，包括汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层(SS)。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面；安全子层负责MAC层认证和加密功能。IEEE 802.16协议结构如图1所示[1]。

1.2 CS子层

IEEE 802.16 MAC是面向连接的，协议定义了两种CS子层将上层业务映射成连接。ATM CS子层提供对ATM的业务支持；包(Packet)CS提供对IEEE 802.3(Ethernet)、802.1Q(VLAN)、IP(IPv4、IPv6)等基于包的业务的映射。由于目前通信网络中最大的数据业务是基于IP的分组业务，而且WiMAX组织仅认证与IP相关的IEEE 802.16设备[2]，因此本文将主要研究Packet CS的特点和应用场景。Packet CS子层定义了分类器(Classifier)的概念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入IEEE 802.16网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通过配置得到或动态建立，SS进入网络时也可以通过空中接口从基站(BS)侧获得。MAC层的每个连接由长度为16比特的连接标识(CID)唯一标识，这种基于连接的机制是提供QoS保障的基础。同时CS子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如对于VoIP业务，CS子层支持头压缩(PHS)对IP头进行压缩，提高了传输效率。

1.3 CPS子层

IEEE 802.16 MAC层支持点到多点(PMP)和格状网(Mesh)两种网络拓扑结构。PMP结构下，下行方向只有BS发送，上行带宽由多个SS共享，BS同时负责上行和下行带宽资源分配，每帧的分配结果体现在下行映射(DL-MAP)和上行映射(UL-MAP)结构中。SS根据DL-MAP和UL-MAP的规定接收和发送数据/管理信令。Mesh模式则允许不同SS之间不通过BS直接通信。在IEEE 802.16-2004中，进入每个子层未被处理的数据称为服务数据单元(SDU)，经过子层处理后形成特定格式的数据被称为协议数据单元(PDU)。同时，本层形成的PDU即为下一层的SDU。CPS子层对经过CS子层汇聚之后的服务数据单元(SDU)进行打包(Packing)和分段(Fragmentation)操作，把数据重新整理成适合空中接口传输的SDU并加上MAC头形成PDU。MAC经过串连(Concatenation)操作将采用同样编码调试方式的PDU形成一块数据(协议中称为Burst)递交给物理层进行发送。同时，CPS层也支持相反的操作。

(1)MAC PDU帧格式和管理信令

一个完整的PDU是由一个48比特固定长度的MAC头、变长的有效载荷和可选的32比特循环冗余校验(CRC)和组成。根据MAC头内的头类型(HT)字段不同，MAC头分为普通MAC头和带宽请求头两种。普通MAC头用于传输数据/管理信令；带宽请求头直接形成PDU，即不带有效载荷，SS用它申请带宽。MAC定义了5种子头，分为两类：一类是每个PDU之前(per-PDU)子头，每个PDU前出现一次，共有4种，包含格状网(Mesh)、分段、快速反馈分配和授予管理子头；第二类是每个SDU之前(per-SDU)子头，每个SDU前出现一次，仅打包子头一种。比较常用的子头是授予管理、分段和打包子头。是否出现子头和出现哪些子头是由MAC头内的类型(Type)域决定的。MAC头与子头之间的关系如图2所示。

此外，IEEE 802.16 MAC层定义了43种(类)管理信令，用于维护WiMAX系统的正常运行和管理。管理信令是作为普通MAC PDU的有效载荷被传送，接收端根据MAC头内的CID判断有效载荷中包含的是普通数据还是管理信令。管理信令按其优先级和对时延的要求从高到低依次分为基本(Basic)、主要(Primary)、次要(Secondary)3种，而且管理信令不能用传输连接进行传输。由于OFDMA物理层采用CDMA码进行初始测距，因此支持OFDMA PHY的MAC不存在初始测距管理信令连接。

(2)CPS层功能

为了完成上述数据收发、系统维护功能，IEEE 802.16 MAC层功能可分为：SS初始化和进入网络、物理层支持和信道信息管理、连接和业务流(SF)管理、无线资源管理(RRM)、数据处理和重传等五大部分。

SS初始化和进入网络部分涉及一系列流程，通过这些流程的SS得以进入网络并在BS侧注册以获得网络资源。如果在初始化过程中的某一步出现异常或错误，SS将根据情况重新初始化或扫描其他可用信道。这些流程包括下行链路同步并获取参数、初始测距、基本能力协商、SS鉴权、注册，此时如果SS是管理(Managed)SS，在这一步将建立IP连接，如果SS非管理(Unmanaged)SS就直接跳过这一步，进行SS初始化的最后一步建立预分配(Provisioned)业务流。由BS发送一个简要流程的描述如图3所示。

物理层支持和信道信息管理部分负责MAC-PHY之间协调交互。在采用PMP方式的IEEE 802.16网络中，BS生成DL-MAP和UL-MAP。DL-MAP或UL-MAP中的下行区间使用码(DIUC)和上行区间使用码(UIUC)字段指明每个下行或上行突发块(Burst)采用的调制编码方式。MAC层负责将PDU串连成突发，递交到物理层进行发送。SS可以通过BS周期性发送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD)管理信令获得DIUC和UIUC所对应的具体调制编码方式。SS通过测距(Ranging)过程进行功率、时延和频偏的调整。测距过程根据SS所处的状态不同分为两种：在初始化时称为初始测距，用于获得初始参数；之后称为周期测距，用于维持连接。

2 服务质量的实现

IEEE 802.16 MAC层实现QoS的原理是将通过MAC传输的包映射到业务流，并映射到由CID标识的连接上。通过根据SF提供的QoS参数进行调度，保障MAC的QoS特性。

如前所述，SS初始化过程的最后一步是通过信令动态业务流建立请求(DSA-REQ)建立预分配的业务流(Provisioned SF)。上行和下行是不同的业务流，业务流按照状态分为3类：激活的(Active)、准许的(Admitted)和预分配的(Provisioned)业务流。业务流由32比特的业务流标识(SFID)唯一标识，3种业务流都对应有SFID，但是对于预分配的业务流系统不预留资源，也不能传输数据，因此也没有对应的CID。如果需要传输数据，必须通过发送信令动态业务流改变请求(DSC-REQ)来激活业务流。对于激活的业务流BS会分配CID。对于准许的业务流系统首先预留资源，等待端到端的协商完成后转为激活的业务流。激活的业务流可以用于传输数据。因此，激活的和准许的业务流才有对应的CID，表明已经建立起连接。业务流包含连接所需要的QoS参数，例如延时、抖动、吞吐量等。

根据不同的应用可以采用资源预留或优先级[3]方式实现QoS。IEEE 802.16 MAC设计结合采用预留或优先级手段。

IEEE 802.16 MAC定义了4种业务类型，按优先级从高到低依次为：

主动提供服务(UGS)。UGS是固定带宽的实时服务，如E1、T1、VoIP等。

实时轮询服务(rtPS)。rtPS为可变带宽的实时服务，如MPEG视频流。

非实时轮询服务(nrtPS)。nrtPS以一定周期轮询连接。

尽力而为服务(BE)。根据网络状况提供最大可能的服务，不保证QoS。

IETF在IP网络的QoS方面定义了一些服务模型和机制，包括：综合业务(IntServ)模型[4]和区别型业务(DiffServ)模型[5]。IntServ采用资源预留协议(RSVP)，而DiffServ可以看作是一种相对优先级策略。

IEEE 802.16 MAC的QoS算法综合这两种机制，借鉴DiffServ的策略(利用ToS字段)，并结合IntServ预留资源的方式，以提高灵活性和保障QoS。从协议角度出发，应当对QoS级别做相应简化：将IP头中的服务类型(ToS)字段中3比特的优先权子字段可形成的8种级别映射成为4种不同QoS级别，同级别的业务类型采用同一种调度方式，不再区分优先级。IEEE 802.16 MAC在准入控制时已经计算UGS、rtPS所需最大带宽，保证系统带宽满足这两类业务最大带宽需要。如果超过系统容量，将不能接入。带宽分配与调度的策略IEEE 802.16协议并未规定，但应当遵循以下原则：

在分配下、上行带宽时，需要计算控制信令，重传数据和不同类型业务所需总带宽。在进行调度时需要结合每个业务流的QoS参数。保证每个业务流的QoS。

调度下、上行带宽的时候要进行统一安排。安排原则考虑现存的业务流和每个业务分配的带宽情况。

结合信道测量结果，尽量把每个SS安排到信道条件好的子信道，提高信道利用率。需要根据不同物理层采用不同算法。

控制信令、ARQ重传数据具有最高优先级应首先分配带宽资源。

不同业务类型优先级从高到低依次为：UGS数据、rtPS数据、nrtPS数据、BE数据。

由于带宽有限，所以当用户发起新建业务流的时候，要使用准入控制。不同业务的准入门限是不同的。

根据以上原则，具体划分和调度算法如表1所示。

3 链路自适应技术

由于OFDMA下行和上行均支持子信道化(一组特定数目可用的子载波按照一定的方式组合起来被称为子信道)，MAC层RRM算法不仅负责用户数据的时域、频域具体位置安排，同时负责调制编码方式的选择以及相应的发射功率。合理的选择结果直接影响传输效率，从而影响到系统容量。

IEEE 802.16 OFDMA物理层共支持多达25种编码调制方式组合。BS周期性地通过DCD、UCD信令广播当前系统使用的下行和上行调制编码方式(协议中称为突发块属性)和对应的DIUC、UIUC。DL-MAP、UL-MAP可通过DIUC和UIUC索引突发块属性。OFDMA 物理层在接入网络时采用二进制相移键控(BPSK)调制发送144比特的CDMA码进行初始测距。BS返回RNG-RSP(测距响应)信令，包含所需要进行的功率、时偏和频偏调整。初始测距过程中SS通过监测下行链路载波干扰比(CINR)选择合适的DIUC，并通知BS。BS同样需要监测上行链路CINR，并选择合适的UIUC。BS具有选择上行和下行突发块属性的决定权。在初始测距之后，SS和BS还要不断地监测下行和上行链路的CINR值。无线链路是不断变化的，BS和SS应当监测这种变化：如果链路质量比较好，超过了当前突发块属性门限，则需要选择更加高效的突发块属性；反之，则需要选择更加鲁棒的突发块属性。SS通过测距请求(RNG-REQ)或下行突发块属性改变请求(DBPC-REQ)通知BS选择DIUC的结果，BS负责决定允许或拒绝SS的请求。UIUC更换相对简单，BS只需要在UL-MAP中指明分配给SS的带宽及所采用的UIUC。每种突发块属性都有进入和退出门限，而且门限是交叠的，如图4所示。

MAC可使用自动重发请求(ARQ)通过重传提高传输可靠性。通信系统中的差错控制技术分为两类：纠错编码和ARQ。纠错编码技术通常不需要发射机进行重传操作，其传输效率由码率决定。ARQ传输效率则由信道条件诀定，信道条件好，重传次数少，传输效率高；信道条件差，重传次数多，传输效率低。将纠错编码和ARQ特点结合在一起形成一种新的差错控制技术混合ARQ(HARQ)。仅OFDMA物理层支持HARQ。

4 OFDMA物理层技术

OFDMA物理层同OFDM物理层一样采用OFDM调制。OFDM可有效对抗多径效应，有效地减小多径传播所造成的符号间干扰，非常适用于11 GHz以下非视距(NLOS)传播环境。同时由于接收机均衡器复杂度的降低，使得接收机成本得以降低。多载波系统可以很容易地使用多天线技术来提高覆盖范围，在不增加带宽的前提下提高信息速率，提高可靠性。

OFDMA物理层支持子信道化。协议规定两种基本的子载波分配方式，连续式分配方式和分布式分配方式。连续式子载波分配方式由于子载波连续，有可能在个别子信道取得高信噪比，适合于固定或低移动性用户；分布式的分配方式由于子载波分散在整个频谱，不太可能出现非常好或非常差的信道环境，适合于游牧用户。OFDMA物理层定义了5种不同的子载波分配模式[7]，比较常用的为全使用子信道化(FUSC)、部分使用子信道化(PUSC)和高级编码调制方式(AMC)。FUSC和PUSC采用分布式的子载波分配，AMC采用连续式子载波分配。OFDMA物理层和OFDM物理层的区别在于前者在上行和下行均支持子信道化，后者仅在上行方向支持子信道化。此外，OFDMA不同于OFDM对于不同子载波采用相同的调制编码方式，而是根据不同的子信道情况采用不同的调制编码方式，从而提高信道利用率。图5所示为OFDMA/TDD方式下的帧结构，一个OFDMA帧是一个时频二维结构，纵轴单位为子信道，横轴单位为符号。MAC层调度的最小单位为一个子信道和一个或多个符号组成时隙，具体符号数由子载波映射方式决定。每帧从时域上被分为上行和下行两部分。上行和下行的分界是发射/接收变换间隔(TTG)和接收/发送变换间隔(RTG)。每个下行帧的开始为前同步信号，紧跟其后的是帧控制头(FCH)、DL-MAP和UL-MAP。

FCH中规定了DL-MAP采用的调制编码方式和长度。DL-MAP紧跟在FCH之后，UL-MAP紧跟在DL-MAP之后。下行的突发排列方式和采用编码调制方式由DL-MAP指定，相应的上行编码调制方式由UL-MAP制订。

如上所述的自适应调制编码方式没有考虑增加部分子载波功率的情况。在限带信道上实现理论信道容量的最佳输入功率应该满足“注水分布”算法[8]，但是这种方法的计算难度较大，而且还需要假设星座规模量化精度无限小，这在实际系统中是无法实现的。同时对于多用户系统，分配复杂度将更高。目前实际实现中只能采用次优的分配算法，OFDMA自适应比特和功率分配有很多次优算法提出。